JP2002015751A - 燃料電池及びそのセパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電池セル及びセパレータを多数積層した場合で
も積層方向に寸法誤差が累積し難くすると共に、燃料電
池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間の
ガス隔絶性を向上させる。 【解決手段】上下二つの電池セル４０間には２枚の板状
セパレータ片１０，２０を重ね合わせて構成されるセパ
レータが設けられている。２枚の板状セパレータ片１
０，２０のそれぞれの合わせ面には、互いに符合する位
置において通路構成溝１５及び２５が形成されている。
二つの通路構成溝１５及び２５が組合わさることで、ガ
スマニホールド５１Ａと、上側電池セル４０及び板状セ
パレータ片２０の間に配設されたガス室２１とをつなぐ
トンネル状ガス通路が構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池セルとセパレ
ータとを交互に積層して構成される燃料電池に関し、特
に燃料電池内でセパレータにより構成されるガス通路の
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池は、プロトン透過膜及び
それを挟む一対の電極材からなる電池セルと、その電池
セルの一方の側に配設されて前記電極材との間にガス室
を提供するセパレータを交互に積層して構成される。一
つの電池セルとその上層及び下層に平行に配設されたセ
パレータとによって一つの単位電池が構成され、複数の
単位電池の積層物が燃料電池と理解してもよい。各単位
電池において、上下セパレータ間に介在される電池セル
は一種のガス隔壁に相当し、一方の電極材とそれに対向
するセパレータとの間には燃料ガス室（還元剤ガス室と
も言う）が、他方の電極材とそれに対向するセパレータ
との間には酸化剤ガス室がそれぞれ区画される。尚、か
かるセパレータは、前述のようなガス室を区画する役目
を担うことから、マニホールド板とも呼ばれる。更に燃
料電池には、燃料ガス用及び酸化剤ガス用の各ガス流通
経路（ガスマニホールド）が単位電池の積層方向に貫設
されている。そして、各単位電池の燃料ガス室は燃料ガ
ス用のガスマニホールドに連通されて燃料ガスの供給を
受ける。同様に、各単位電池の酸化剤ガス室は酸化剤ガ
ス用のガスマニホールドに連通されて酸化剤ガスの供給
を受ける。

【０００３】実開平５−６６８７５号公報は、燃料ガス
用のガスマニホールドと各単位電池の燃料ガス室との間
におけるガス連通構造の一例を開示する。この公開公報
によれば、マニホールド板の周縁部には燃料ガス用のガ
スマニホールド（導入孔及び排出孔）が貫設されると共
に、マニホールド板の一方の面の中央域には燃料ガス室
を提供する深い凹部が設けられている。更に、その中央
域の深い凹部とガスマニホールドのある周縁部との間に
は浅い凹部（又は段差部）が設けられ、その浅い凹部の
底壁には前記深い凹部とガスマニホールドとをつなぐた
めの複数条の平行溝が形成されている。そして、燃料電
池の組立時には、その浅い凹部に対して保護用プレート
を嵌め込んで前記平行溝の各々をトンネル状通路とし、
これらのトンネル状通路を経由してガスマニホールドと
燃料ガス室との間における燃料ガス流通を確保してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記公開公報には、保
護用プレートが前記浅い凹部に嵌め込まれたとき当該プ
レートの表面とマニホールド板の表面とは同一平面をな
す、と記載されている。しかしながら、実際にこのよう
な構造を採用した場合に、保護用プレートの表面とマニ
ホールド板の表面とを面一化することは難しい。なぜな
ら、単位電池の高密度積層が求められる今日の時代状況
では、マニホールド板又はセパレータの薄肉化は避けら
れず、その厚みは約１．０ｍｍ以下にまでなっている。
かかる状況下で保護用プレート及びそれを収容する浅い
凹部を設計するとなれば、保護用プレートの厚さ及び浅
い凹部の深さはかなりの高精度で管理される必要がある
が、そのような厚さ及び深さの厳格な管理は極めて困難
である。このため、保護用プレート及び浅い凹部の加工
精度を高めたつもりでも、実際に浅い凹部にプレートを
嵌めたとき、プレートの一部がマニホールド板表面より
も盛り上がったり、プレートの端面と浅い凹部の内壁面
との間に隙間ができたりするのを回避することは困難で
ある。

【０００５】仮にマニホールド板表面からの保護用プレ
ートの一部の盛り上がりが数十ミクロンのレベルであっ
たとしても、単位電池を多数積層した場合には、僅かの
寸法の狂いが累積して無視できない大きさとなる。さす
れば、複数の単位電池相互間の平行状態が維持できなく
なって、燃料電池の組立てに支障を来すのみならず、ガ
スシール性を低下させる一因となる。又、保護用プレー
トの端面と浅い凹部の内壁面との間に隙間ができる場合
も同様にガスシール性を低下させる。特に、燃料電池内
部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との隔絶が不
十分となり、両方のガスが互いに混じり合うと、電池性
能が著しく低下してしまう。

【０００６】本発明の目的は、単位電池を多数積層した
場合でも積層方向に寸法誤差が累積し難く単位電池相互
間の平行状態を極力維持することができると共に、燃料
電池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間
のガス隔絶性に優れた燃料電池及びそのセパレータを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、プロ
トン透過膜及びそれを挟む一対の電極材からなる電池セ
ルと、その電池セルの一方の側に配設されて前記電極材
との間にガス室を提供するセパレータを交互に積層して
構成されると共に、積層されたセパレータ群を積層方向
に貫通するガスマニホールドが設けられた燃料電池にお
いて、前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板
状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記
二つの板状セパレータ片が相互接触するそれぞれの合わ
せ面の少なくとも一方には、前記ガスマニホールドとガ
ス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が
形成されていることを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、二つの板状セパレータ片
の合わせ面の少なくとも一方に通路構成溝を設けたの
で、二つの板状セパレータ片の合わせ面を相互接触させ
てセパレータを構成する際には、一方の板状セパレータ
片に形成された通路構成溝の開口部が他方の板状セパレ
ータ片の合わせ面によって封鎖される。その結果、前記
通路構成溝は、ガスマニホールドとガス室とをつなぐト
ンネル状のガス通路となり、このトンネル状ガス通路を
介してガスマニホールドとガス室との間のガス流通が確
保される。この構成によれば、二つの板状セパレータ片
は一方が他方に嵌合される関係にはなく、両者は等価な
合わせ面を持ち、それらを互いに接合させるだけの関係
にある。各々の合わせ面を予め平滑化することは加工技
術上さほど困難ではなく、それ故、表面平滑度の高い合
わせ面を持つ板状セパレータ片からセパレータを構成し
それを複数積層したとしても各単位電池間の平行状態は
損なわれず、従来例のように積層方向に寸法誤差が累積
することはまずない。また、二つの板状セパレータ片は
相互に嵌合する関係にないため、双方に微細な段差部を
形成する必要がなく不要な隙間の発生原因が存在しな
い。従って、ガスマニホールドとガス室との間の連通構
造に関する限り、それ自体である程度の気密性を確保す
ることができる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の双方の合
わせ面には、互いに符合する位置において通路構成溝が
それぞれ形成されており、これら通路構成溝が組合わさ
ることで前記ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス
通路が構成されることを特徴とする。この構成によれ
ば、二つの合わせ面の双方に形成された通路構成溝が組
合わさって一つのトンネル状ガス通路が構成されるた
め、一つの通路構成溝の深さを比較的浅く設定してもト
ンネル状ガス通路には十分なガス流通断面積を付与でき
る。故に、各板状セパレータ片の機械的強度を低下させ
ることなく、その厚さを薄くすることが可能となり、燃
料電池の積層密度を向上させることが可能となる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は２に記載
の燃料電池において、前記通路構成溝が形成された板状
セパレータ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連
通させるべく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連
通孔が形成されていることを特徴とする。本件燃料電池
の基本構造に従えば、板状セパレータ片の合わせ面と反
対側の面が電池セルの電極材に対向する面となり、この
反対側の面にガス室が配置される。この点、請求項３の
構成によれば、セパレータ片を積層方向に貫通して設け
られた連通孔が、合わせ面側に形成された通路構成溝と
前記ガス室とを連通させるため、ガス室はこの連通孔及
び通路構成溝を介してガスマニホールドと連通すること
が可能となる。

【００１１】請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の接合領域
には、セパレータの積層方向と直交する面内において、
前記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔
が存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられて
いることを特徴とする。この構成によれば、セパレータ
の積層方向と直交する面内で観察した場合に、互いに連
通するガスマニホールド、通路構成溝（トンネル状通
路）及び連通孔が存在する同種ガス（例えば燃料ガス）
の領域は、ガスシール手段で包囲されることにより、異
種ガス（例えば酸化剤ガス）の領域から隔絶される。こ
のため、燃料電池内部において、二種類のガスが混合す
る事態が確実に回避され、ガス混合による電池性能の低
下を防止できる。尚、前記ガスシール手段が、ゴム、Ｏ
リング、接着剤又は金属材料の振動溶着によって提供さ
れることは好ましい。

【００１２】請求項５の発明は、請求項４に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の合わせ面
の少なくとも一方には、前記ガスシール手段を収容する
ためのシール溝が形成されていることを特徴とする。板
状セパレータ片の合わせ面にシール溝を付与すること
で、二つの板状セパレータ片の接合領域に設けられるガ
スシール手段の位置決めが容易になる。加えて、ガスシ
ール手段の合わせ面内での横ずれが効果的に防止され
る。尚、二つの板状セパレータ片の合わせ面の双方に対
し、互いに符合する位置で前記シール溝を形成すること
は好ましい。

【００１３】請求項６の発明は、平面形状がほぼ同じ二
つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共
に、前記二つの板状セパレータ片が相互接触するそれぞ
れの合わせ面の少なくとも一方には、燃料電池における
ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通路を構成す
るための通路構成溝が形成されていることを特徴とする
燃料電池セパレータである。この請求項６の技術的意義
は、前記請求項１の発明とほぼ同じである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本実施形態の燃料電池は、図１及
び図２に示すように、冷却媒体流通路を提供する基礎セ
パレータ片３０の上に２階層の単位電池を積み上げたも
のを一組の最小積層群とし、この最小積層群を垂直方向
に複数組積み上げて構成されている。そして、前記２階
層の単位電池の各々は、第１セパレータ片１０、第２セ
パレータ片２０及びこれらセパレータ片１０，２０間に
介在される電池セル４０から構成される。なお、図１は
図３，５及び７におけるＡ−Ａ線での断面を示し、図２
は図３，５及び７におけるＢ−Ｂ線での断面を示す。こ
れらの図面からわかるように、各セパレータ片１０，２
０，３０の周縁部には、セパレータ片を積層方向に貫通
する複数のガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，
５２Ｂ及び冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂが設けられてい
る。一対のガスマニホールド５１Ａ及び５１Ｂは還元剤
ガスとしての燃料ガス用のマニホールドであり、一対の
ガスマニホールド５２Ａ及び５２Ｂは酸化剤ガスとして
の空気用のマニホールドである。燃料ガスとしては一般
に、水素ガスや、メタノール又は天然ガスから製造され
る改質ガスが使用される。なお、一対をなす冷却媒体通
路５３Ａ，５３Ｂには冷却媒体としての冷却水が流され
る。

【００１５】各単位電池を構成する電池セル４０は、プ
ロトン透過性を持つ高分子材料を基材とする高分子固体
電解質膜（プロトン透過膜）４１と、その下側に設けら
れた負極側の電極材４２と、上側に設けられた正極側の
電極材４３とから構成されている。つまり高分子固体電
解質膜４１は、二つの電極材４２及び４３によって挟着
されている。これらの電極材４２，４３は、優れたガス
透過性と導電性とを兼ね備えた材料（例えば多孔質のカ
ーボン材料）で構成される。電極材４２，４３は、ガス
の拡散層及び流通層としての役割を果たすと共に、電気
化学反応における電子の授受及び移動に関与する電極と
して機能する。なお、各電極材と高分子固体電解質膜４
１との境界領域には、電気化学反応を促進するための触
媒層（図示略）が設けられている。

【００１６】図１及び図２に示すように、第１セパレー
タ片１０と第２セパレータ片２０との間には、シール材
４５の配設スペースを確保しつつ電池セル４０の周囲を
取り囲むようにスペーサ４４が設けられている（図には
スペーサ４４の一部断面のみを示す）。スペーサ４４は
リジッドな絶縁材料（例えば絶縁性合成樹脂）で構成さ
れており、電池セル４０を機械的圧迫から保護する。つ
まり、基礎セパレータ片３０及び単位電池を積層締結す
る際の圧力によって、固体電解質膜４１並びに電極材４
２及び４３が押しつぶされるのを防止する保形材として
機能する。尚、スペーサ４４の端部領域には燃料ガス用
のガスマニホールド５１Ａ（図１参照）及び空気用のガ
スマニホールド５２Ａ（図２参照）が垂直方向（積層方
向）に形成されている。スペーサ４４の近傍に設けられ
たシール材４５は、各ガスマニホールドと電池セル４０
との間の連通を遮断する。

【００１７】各階層の単位電池において、電池セル４０
の上側に位置する第１セパレータ片１０は、図３及び図
４に示すような平面四角形状をなす。図３は第１セパレ
ータ片１０の上面側の全体を示し、図４はその下面側の
一部を示す。この第１セパレータ片１０は、当該電池セ
ル４０と上階の電池セル４０を分離する部材であると共
に、当該電池セル４０の電極材４３との間に空気用のガ
ス室を構成するためのガス室構成部材でもある。

【００１８】第１セパレータ片１０の一隅部には、前記
ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３
Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体
通路５３Ｂが貫通形成されている。図４に示すように、
電極材４３と対向する面である第１セパレータ片１０の
下面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連
の凹部１１（溝パターンとも言う）が形成されている。
図３に破線で示唆するように、一連の凹部１１はＳ字状
に蛇行し、その両端域はセパレータ片の両対角位置にあ
るガスマニホールド群の近傍に達している。図１及び図
２に示すように、第１セパレータ片１０の下面が電池セ
ル４０の上面に重合されたとき、前記凹部１１は、電極
材４３に隣接すると共にＳ字状に蛇行した流路を持つガ
ス室を提供する。そして、このガス室の流路の両端域は
空気用ガスマニホールド５２Ａ及び５２Ｂと連通する。

【００１９】図３及び図４に示すように、第１セパレー
タ片１０において空気用ガスマニホールド５２Ａ及び５
２Ｂの各々の近傍には、複数個の連通孔１２（本例では
一つのガスマニホールドあたり４個）が該セパレータ片
を厚み方向（即ち積層方向）に貫通して形成されてい
る。加えて第１セパレータ片１０の上面には、各連通孔
１２毎に、その連通孔１２とそれに対応するガスマニホ
ールド５２Ａ又は５２Ｂとをつなぐ通路構成溝１３が形
成されている。また、第１セパレータ片１０の上面は、
上階層の単位電池の第２セパレータ片２０の下面（又は
基礎セパレータ片３０の下面）と接触する合わせ面とな
る。図２に示すように、第１セパレータ片１０に形成さ
れた前記連通孔１２及び通路構成溝１３に対応して、第
２セパレータ片２０の下面には通路構成溝２３が形成さ
れている。その通路構成溝２３の一端は、空気用ガスマ
ニホールド５２Ａ又は５２Ｂに達している（図２及び図
６参照）。そして、これら上下一対の通路構成溝１３及
び２３が組合わされて水平なトンネル状ガス通路が構成
され、この水平ガス通路は連通孔１２と空気用ガスマニ
ホールドとを連通させる。つまり、一対の空気用ガスマ
ニホールド５２Ａ，５２Ｂの各々は、それぞれに対応す
る通路構成溝１３及び２３及び連通孔１２を介して前記
ガス室１１の端部領域とつながっている。

【００２０】更に図１〜図４に示すように、第１セパレ
ータ片１０の上面は、セパレータ片の積層方向と直交す
る面であると共に第２セパレータ片２０の下面と接合す
るための合わせ面となっている。この合わせ面には、そ
の中央領域と周縁領域との境界位置において一連のシー
ル溝１４が形成され、該シール溝１４は、セパレータ片
上面を都合６つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部
１１の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路５３Ａ，５
３Ｂがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの
酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料
ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂと３条の通路
構成溝１５とが包含され、シール溝１４はこれらを包囲
するように設けられている。又、酸化剤ガス領域の各々
には、空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂと４個
の連通孔１２と４条の通路構成溝１３とが包含され、シ
ール溝１４はこれらを包囲するように設けられている。
図１及び図２に示すように、前記一連のシール溝１４内
には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手段と
してのシール材５４が配設される。シール材５４は、第
１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０との接合領
域において前記６つの領域を互いに隔絶し、領域相互間
における流体連通を遮断する。なお、図４（第１セパレ
ータ片１０の下面）に黒塗りで示す領域には、前記スペ
ーサ４４の近傍に設けられるシール材４５が配置され
る。シール材４５の位置は、上面側のシール溝１４の位
置と一部を除いてほぼ符合する。

【００２１】各階層の単位電池において、電池セル４０
の下側に位置する第２セパレータ片２０は、図５及び図
６に示すように前記第１セパレータ片１０と同じ平面四
角形状をなす。図５は第１セパレータ片１０の上面側の
全体を示し、図６はその下面側の一部を示す。この第２
セパレータ片２０は、当該電池セル４０と下階の電池セ
ル４０を分離する部材であると共に、当該電池セル４０
の電極材４２との間に燃料ガス用のガス室を構成するた
めのガス室構成部材でもある。

【００２２】第２セパレータ片２０の一隅部には、前記
ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３
Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体
通路５３Ｂが貫通形成されている。図５に示すように、
電極材４２と対向する面である第２セパレータ片２０の
上面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連
の凹部２１（溝パターンとも言う）が形成されている。
一連の凹部２１はＳ字状に蛇行し、その両端域はセパレ
ータ片の両対角位置にあるガスマニホールド群の近傍に
達している。図１及び図２に示すように、第２セパレー
タ片２０の上面が電池セル４０の下面に重合されたと
き、前記凹部２１は、電極材４２に隣接すると共にＳ字
状に蛇行した流路を持つガス室を提供する。そして、こ
のガス室の流路の両端域は燃料ガス用ガスマニホールド
５１Ａ及び５１Ｂと連通する。

【００２３】図５及び図６に示すように、第２セパレー
タ片２０において燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ及
び５１Ｂの各々の近傍には、複数個の連通孔２２（本例
では一つのガスマニホールドあたり３個）が該セパレー
タ片を厚み方向（即ち積層方向）に貫通して形成されて
いる。加えて第２セパレータ片２０の下面には、各連通
孔２２毎に、その連通孔２２とそれに対応するガスマニ
ホールド５１Ａ又は５１Ｂとをつなぐ通路構成溝２５が
形成されている。また、第２セパレータ片２０の下面
は、下階層の単位電池の第１セパレータ片１０の上面
（又は基礎セパレータ片３０の上面）と接触する合わせ
面となる。図１に示すように、第２セパレータ片２０に
形成された前記連通孔２２及び通路構成溝２５に対応し
て、第１セパレータ片１０の上面には通路構成溝１５が
形成されている。その通路構成溝１５の一端は、燃料ガ
ス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂに達している
（図１及び図３参照）。そして、これら上下一対の通路
構成溝２５及び１５が組合わされて水平なトンネル状ガ
ス通路が構成され、この水平ガス通路は連通孔２２と燃
料ガス用ガスマニホールドとを連通させる。つまり、一
対の燃料ガス用ガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂの各々
は、それぞれに対応する通路構成溝２５及び１５及び連
通孔２２を介して前記ガス室２１の端部領域とつながっ
ている。

【００２４】更に図１，２，５及び６に示すように、第
２セパレータ片２０の下面は、セパレータ片の積層方向
と直交する面であると共に第１セパレータ片１０の上面
と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面
には、その中央領域と周縁領域との境界位置において一
連のシール溝２４が形成されている。このシール溝２４
は、第１セパレータ片上面のシール溝１４と符合する位
置に設けられ、シール溝１４と同様、第２セパレータ片
下面を都合６つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部
２１の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路５３Ａ，５
３Ｂがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの
酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料
ガス用ガスマニホールド５１Ａ又は５１Ｂと３個の連通
孔２２と３条の通路構成溝２５とが包含され、シール溝
２４はこれらを包囲するように設けられている。又、酸
化剤ガス領域の各々には、空気用ガスマニホールド５２
Ａ又は５２１Ｂと４条の通路構成溝２３とが包含され、
シール溝２４はこれらを包囲するように設けられてい
る。図１及び図２に示すように、前記一連のシール溝２
４内には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手
段としてのシール材５４が配設される。尚、図５（第２
セパレータ片２０の上面）に黒塗りで示す領域には、前
記スペーサ４４の近傍に設けられるシール材４５が配置
される。シール材４５の位置は、下面側のシール溝２４
の位置と一部を除いてほぼ符合する。

【００２５】燃料電池の組立時に単位電池間に介装され
ることになる基礎セパレータ片３０は、図７及び図８に
示すように前記第１及び第２セパレータ片１０，２０と
同じ平面四角形状をなす。図７は基礎セパレータ片３０
の上面側の全体を示し、図８はその下面側の一部を示
す。この基礎セパレータ片３０は、二つの電池セル４０
を分離する部材であると共に、二つの単位電池間に冷却
媒体としての冷却水の流通室を構成するための部材でも
ある。

【００２６】基礎セパレータ片３０の一隅部には、前記
ガスマニホールド５１Ａ，５２Ａ及び冷却媒体通路５３
Ａが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド５１Ｂ，５２Ｂ及び冷却媒体
通路５３Ｂが貫通形成されている。図８に示すように、
第１セパレータ片１０の上面との合わせ面となる基礎セ
パレータ片３０の下面には、その中央領域において複数
条の溝を含む一連の凹部３１（溝パターンとも言う）が
形成されている。図７に破線で示唆するように一連の凹
部３１はＳ字状に蛇行し、その両端域はセパレータ片の
両対角位置にある冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂの近傍に
達している。そして、一連の凹部３１の両端域と冷却媒
体通路５３Ａ，５３Ｂとは、基礎セパレータ片３０の下
面に形成された一対の連絡溝３２を介して連通してい
る。基礎セパレータ片３０の下面が第１セパレータ片１
０の上面に重ね合わされたとき、前記凹部３１及び連絡
溝３２は、二つの冷却媒体通路５３Ａ，５３Ｂをつなぐ
と共にＳ字状に蛇行した流路を持つ冷却水流通室を構成
する。

【００２７】更に図１，２，７及び８に示すように、基
礎セパレータ片３０の上面は、セパレータ片の積層方向
と直交する面であると共に第２セパレータ片２０の下面
と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面
には、第２セパレータ片下面のシール溝２４と符合する
シール溝３３が形成されている。図１及び図２に示すよ
うに、二つのシール溝２４，３３で構成されるトンネル
内にはガスシール手段としてのシール材５４が配設され
る。他方、基礎セパレータ片３０の下面は、セパレータ
片の積層方向と直交する面であると共に第１セパレータ
片１０の上面と接合するための合わせ面となっている。
この合わせ面には、第１セパレータ片１０上面のシール
溝１４と一部を除いてほぼ符合するシール溝３４が形成
されている。図１及び図２に示唆されるように、二つの
シール溝１４，３４で構成されるトンネル内にはガスシ
ール手段としてのシール材５４が配設される。基礎セパ
レータ片３０の上下に配設されたシール材５４は、第１
及び第２セパレータ片１０，２０の境界領域に配設され
たシール材５４と同じ役目を果たす。

【００２８】基礎セパレータ片３０の上面は、第２セパ
レータ片２０が提供するガス室２１と燃料ガス用ガスマ
ニホールド５１Ａ又は５１Ｂとをつなぐガス通路の形成
に関与する。即ち図１に示すように、第２セパレータ片
２０の下面に形成された通路構成溝２５の下側開口を基
礎セパレータ片３０の上面が封鎖することによって、連
通孔２２とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネル
状ガス通路が構成される。同様に、基礎セパレータ片３
０の下面は、第１セパレータ片１０が提供するガス室１
１と空気用ガスマニホールド５２Ａ又は５２Ｂとをつな
ぐガス通路の形成に関与する。即ち図２には直接示され
ていないがそこから理解できるように、第１セパレータ
片１０の上面に形成された通路構成溝１３の上側開口を
基礎セパレータ片３０の下面が封鎖することによって、
連通孔１２とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネ
ル状ガス通路が構成される。

【００２９】上記の説明並びに図１及び図２からわかる
ように、２枚の第１セパレータ片１０、２枚の第２セパ
レータ片２０、１枚の基礎セパレータ片３０及び二つの
電池セル４０を所定の順序に従い積層することにより、
２階層の単位電池及び１階層の冷却媒体層からなる一つ
の最小積層群が構成される。かかる最小積層群が複数積
み重ねられた燃料電池では、２階層の単位電池と１階層
の冷却媒体層とが交互に配置される。その結果、二つの
電池セル４０間に介在する区画壁としてのセパレータに
は二種類の構造が存在する。一つは図１及び図２に示す
ように、第１セパレータ片１０の上に第２セパレータ片
２０を重ねることで構成される厚さｔの２層構造セパレ
ータである。もう一つは図１及び図２から類推可能なよ
うに、第１セパレータ片１０と第２セパレータ片２０と
の間に基礎セパレータ片３０を挟み込むことで構成され
る３層構造セパレータである。前記２層構造セパレータ
の厚さｔは、好ましくは０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定
（本例ではｔ＝１．０ｍｍに設定）されるが溝深さに応
じてこれ以外でもよい。三つのセパレータ片１０，２
０，３０の各々の厚さは、前記ｔの約半分程度に設定さ
れる。それ故、各ガス室を構成する凹部１１，１２や前
記通路構成溝１３，１５，２３，２５の深さは非常に浅
い。このように極めて浅い凹部１１，１２や通路構成溝
１３，１５，２３，２５は様々な方法で加工可能である
が、局部的な歪みを回避しつつ凹部や溝の加工精度を確
保するためには、電解エッチング加工法を採用すること
が好ましい。尚、セパレータ片１０，２０，３０の構成
材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム系金属、チ
タン系金属又はカーボン系材料を使用できる。又、凹部
や溝を加工した後のセパレータ片の表面には、必要に応
じてメッキが施される。

【００３０】かかる燃料電池においては、一方の燃料ガ
ス用ガスマニホールド５１Ａを経由して提供された燃料
ガスは、通路構成溝２５（及び１５）並びに連通孔２２
を介して負極側のガス室２１に流入し、そこから連通孔
２２並びに通路構成溝２５（及び１５）を介して他方の
燃料ガス用ガスマニホールド５１Ｂに流出する（図１参
照）。同様に、一方の空気用ガスマニホールド５２Ａを
経由して提供された空気は、通路構成溝１３（及び２
３）並びに連通孔１２を介して正極側のガス室１１に流
入し、そこから連通孔１２並びに通路構成溝１３（及び
２３）を介して他方の空気用ガスマニホールド５２Ｂに
流出する（図２参照）。各電池セル４０では、上下両側
のガス室から供給される燃料ガス及び空気を利用した公
知の電気化学反応に基づいて発電が行われる。

【００３１】（効果）本実施形態によれば以下のような
効果を得ることができる。 ・この燃料電池によれば、２層構造又は３層構造セパレ
ータの構成要素である各板状セパレータ片１０，２０，
３０は、それぞれに平滑で互いに等価な合わせ面を持
ち、それらを相互に面接合させることによってセパレー
タが構成される。それ故、各層間の平行状態は損なわれ
難く、部分的に段差構造を採用する従来例とは異なり、
積層方向に寸法誤差が累積することがない。このこと
は、ガスシール手段の良否という観点を離れて、それ自
体で燃料電池のガスシール性を向上させるのに貢献す
る。

【００３２】・第１セパレータ片１０と第２セパレータ
片２０との境界領域に設定されるトンネル状ガス通路に
関して言えば、それぞれの合わせ面の双方に形成された
通路構成溝（１５，２５）及び（１３，２３）が組合わ
さって一つのトンネル状ガス通路が構成される。このた
め、各通路構成溝の深さが比較的浅くても、前記トンネ
ル状ガス通路には十分なガス流通断面積が付与される。
このことは、各セパレータ片の機械的強度を低下させる
ことなくその厚さを極力薄くすることを可能とし、燃料
電池の積層密度を高めて電池性能向上に貢献する。

【００３３】・ガスマニホールド５１Ａ，５１Ｂ、通路
構成溝１５，２５及び連通孔２２によって構成される燃
料ガス領域は、シール溝１４，２４内に収容されるシー
ル材５４で包囲されることにより他領域から確実に隔絶
される。同様に、ガスマニホールド５２Ａ，５２Ｂ、通
路構成溝１３，２３及び連通孔１２によって構成される
酸化剤ガス領域も、シール溝１４，２４内に収容される
シール材５４で包囲されることにより他領域から確実に
隔絶される。このため、燃料電池内部において二種類の
ガスが相互に混じり合う事態が確実に回避され、電池性
能の低下が防止される。

【００３４】・この燃料電池によれば、電池内部におけ
る燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間のガス隔絶性が
高まるのみならず、外部へのガス漏洩も効果的に防止す
ることができる。図９のグラフは、１００セルの電池セ
ルを積層した燃料電池内に所要のガスを封入し各ガスマ
ニホールドの出入口を封鎖した場合における内圧の経時
変化を測定した結果を示す。内圧は圧力ゲージを用いて
測定されており、ゲージ圧力（内圧）は大気圧基準の相
対圧力を示す。本実施形態の燃料電池では、２４時間後
のゲージ圧力は初期ゲージ圧力（０．２ＭＰａ＝約２気
圧）にほぼ等しく、ガス漏洩はほとんどみられなかっ
た。これに対し、従来例と同じ構造を採用した燃料電池
では、２４時間後のゲージ圧力は初期ゲージ圧力（０．
２ＭＰａ＝約２気圧）に対してその１０％以上の低下が
あり、若干のガス漏洩がみられた。この比較実験から
も、本発明の燃料電池が従来例よりも優れた気密性又は
ガスシール性を持つことが立証される。

【００３５】（変更例）上記実施形態を以下のように変
更実施してもよい。前記シール材４５及び５４として
は、ゴム、金属製Ｏリング又は接着剤のいずれも使用可
能である。特に樹脂系の材料を用いる場合には、耐腐食
性に優れるフッ素系又はシリコーン系樹脂が好ましい。
他方、このような一般的なシール材に代えて、金属材料
を振動溶着させた結果形成されるガスシール手段を採用
してもよい。

【００３６】図１に示す第２セパレータ片２０の下面と
接合される基礎セパレータ片３０の上面に、第２セパレ
ータ片２０側の通路構成溝２５と符合する通路構成溝を
形成し、両セパレータ片２０，３０の境界領域に十分な
ガス流通断面積を確保したトンネル状通路を構成しても
よい。又、図２から示唆されるように第１セパレータ片
１０の上面と接合される基礎セパレータ片３０の下面
に、第１セパレータ片１０側の通路構成溝１３と符合す
る通路構成溝を形成し、両セパレータ片１０，３０の境
界領域に十分なガス流通断面積を確保したトンネル状通
路を構成してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、単
位電池を多数積層した場合でも積層方向に寸法誤差が累
積し難く単位電池相互間の平行状態を極力維持すること
ができる。又、燃料電池内部において燃料ガス領域と酸
化剤ガス領域との間のガス隔絶性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。

【図２】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。

【図３】第１セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。

【図４】第１セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。

【図５】第２セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。

【図６】第２セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。

【図７】基礎セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。

【図８】基礎セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。

【図９】比較実験でのガス圧経時変化の測定結果を示す
グラフ。

【符号の説明】

１０，２０，３０…板状セパレータ片、１１，２１…凹
部（ガス室）、１２，２２…連通孔、１３，１５，２
３，２５…通路構成溝、１４，２４，３３，３４…シー
ル溝、４０…電池セル、４１…高分子固体電解質膜（プ
ロトン透過膜）、４２，４３…電極材、５１Ａ，５１
Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ…ガスマニホールド、５４…シール
材（ガスシール手段）。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プロトン透過膜及びそれを挟む一対の電極
   材からなる電池セルと、その電池セルの一方の側に配設
   されて前記電極材との間にガス室を提供するセパレータ
   を交互に積層して構成されると共に、積層されたセパレ
   ータ群を積層方向に貫通するガスマニホールドが設けら
   れた燃料電池において、 前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板状セパ
   レータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの
   板状セパレータ片が相互接触するそれぞれの合わせ面の
   少なくとも一方には、前記ガスマニホールドとガス室と
   をつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が形成さ
   れていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記二つの板状セパレータ片の双方の合わ
   せ面には、互いに符合する位置において通路構成溝がそ
   れぞれ形成されており、これら通路構成溝が組合わさる
   ことで前記ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通
   路が構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池。
3. 【請求項３】前記通路構成溝が形成された板状セパレー
   タ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連通させる
   べく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連通孔が形
   成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   燃料電池。
4. 【請求項４】前記二つの板状セパレータ片の接合領域に
   は、セパレータの積層方向と直交する面内において、前
   記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔が
   存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられてい
   ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 【請求項５】前記二つの板状セパレータ片の合わせ面の
   少なくとも一方には前記ガスシール手段を収容するため
   のシール溝が形成されていることを特徴とする請求項４
   に記載の燃料電池。
6. 【請求項６】平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ
   片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの板状セ
   パレータ片が相互接触するそれぞれの合わせ面の少なく
   とも一方には、燃料電池におけるガスマニホールドとガ
   ス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が
   形成されていることを特徴とする燃料電池セパレータ。